DE10027703A1

DE10027703A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Umformen, insbesondere Fließpressen eines metallischen Werkstücks

Info

Publication number: DE10027703A1
Application number: DE2000127703
Authority: DE
Inventors: Jovo Subanovic
Original assignee: SMS Demag AG
Current assignee: SMS Group GmbH
Priority date: 2000-06-03
Filing date: 2000-06-03
Publication date: 2001-12-13
Anticipated expiration: 2020-06-04
Also published as: DE10027703B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Warm- und Kaltumformen, insbesondere zum Fließpressen, eines metallischen Werkstücks 12 unter Verwendung einer Matrize 13 und einer Vorschubeinrichtung für das Werkstück 12. Die Matrize ist mit einer Oszillationsvorrichtung 2, 4 in oszillierende Relativbewegungen zum Werkstück 12 erregbar. Das Werkstück 12 wird in einem Arbeitsgang in mehreren in Materialdurchlaufrichtung 16 hintereinander liegenden Reduktionskammern 1a-5f der Matrize 13 gleichzeitig einer Reihe von Unformungsschritten 1.1-5.1 unterzogen. Der Körper der Matrize weist hierzu in Material-Durchlaufrichtung 16 eine Anzahl von Reduktionskammern auf, die mit stufenweise abnehmenden Materialdurchlaßweiten 1.1 bis n.1 in Reihe hintereinander angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Warm- und Kaltumformen, insbesondere zum Fließpressen eines metallischen Werkstücks unter Verwendung einer Matrize und einer Vorschubeinrichtung für das Werkstück. Weiterhin betrifft die Erfindung eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung.

Verfahren und Vorrichtungen zum Warm- und Kaltumformen, insbesondere zum Fließpressen metallischer Werkstücke sind allgemein bekannt, ohne dass sie im einzelnen näher beschrieben werden müssen. Sie basieren allgemein auf einer Nutzung der Fließfähigkeit metallischer Werkstoffe, insbesondere duktieler Werk stoffe, und beruhen darauf, dass das zu verformende Material durch Einwirken äußerst hoher Press- oder Schlagkräfte im geschlossenen Formraum einer fest stehenden Matrize, oder beim Hindurchtreten durch eine sich verengende Matrize in eine gewünschte Form gebracht werden.

Eine Weiterentwicklung eines Verfahrens sowie einer Vorrichtung zum Kaliverfor men, insbesondere zum Kaltfließpressen metallischer Werkstücke ist durch das Dokument DE 197 35 486 A1 bekannt geworden.

Die daraus bekannte Vorrichtung zur Kaltverformung, insbesondere zum Kaltfließ pressen eines Werkstücks, die eine Verformungsmatrize und eine Vorschubein richtung zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen Werkstück und Verfor mungsmatrize aufweist, zeigt eine mit der Vorschubeinrichtung zusammenwirken de Frequenzerzeugungseinrichtung, durch welche die von der Vorschubeinrich tung erzeugte Relativbewegung zwischen Werkstück und Verformungsmatritze derart modulierbar ist, dass nach einem Vorwärtshub, bei dem das Werkstück und/oder die Verformungsmatrize in Vorschubrichtung einen ersten Hubweg durchläuft, in einem darauffolgenden Rückwärtshub eine Bewegung der Verlor mungsmatrize und/oder des Werkstücks in einer der Vorschubrichtung entgegen gesetzten Richtung um einen zweiten Hubweg durchführbar ist.

Dabei ist vorgesehen, dass der beim Vorwärtshub in Vorschubrichtung zurückge legte erste Hubweg größer als der beim darauffolgenden Rückwärtshub zurück gelegte zweite Hubweg ist. Die erzeugte Modulationsfrequenz liegt im Bereich von etwa 5 bis 30 Hz.

Bei der Frequenzerzeugungseinrichtung kann es sich um eine hydraulisch, pneu matisch, mechanisch oder elektromagnetisch arbeitende Frequenzerzeugungsein richtung handeln.

Ein mit der vorgenannten Vorrichtung durchführbares Verfahren zur Kaltverfor mung eines Werkstücks, bei dem durch eine Vorschubeinrichtung eine Relativbe wegung zwischen dem Werkstück und einer Verformungsmatrize erzeugt wird, zeigt, dass die von der Vorschubeinrichtung erzeugte Relativbewegung zwischen dem Werkstück und der Verformungsmatrize durch die Frequenzerzeugungsein richtung derart moduliert wird, dass nach einem Vorwärtshub, bei dem in Vor schubrichtung das Werkstück und/oder die Verformungsmatrize einen ersten Hubweg durchläuft, in einem darauffolgenden Rückwärtshub eine Bewegung der Verformungsmatrize und/oder des Werkstücks in einer zu der Vorschubrichtung entgegengesetzten Richtung um einen zweiten Hubweg durchführbar ist.

Mit der bekannten Vorrichtung und dem damit durchführbaren Verfahren soll er reicht werden, dass die zur Kaltverformung, insbesondere zum Kaltfließpressen eines Werkstücks erforderlichen Vorschubkraft, die zur Erzielung einer definierten Endverformung eines Werkstücks erforderlich ist, deutlich geringer ist als bei einer konventionellen Vorrichtung.

Ausgehend vom vorgehenden Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, dass bekannte Verfahren zum Warm- und Kaltumformen, insbesondere zum Fließpressen eines metallischen Werkstücks, weiter zu vervollkommnen und zu verbessern, mit dem Ziel, einer noch rationelleren Arbeitsweise mit verringer tem maschinenbaulichen Aufwand bei verbesserter Ausgestaltung des matrizen artigen Werkzeuges.

Zur Lösung der Aufgabe wird bei einem Verfahren zum Warm- und Kaltumformen der im Oberbegriff von Anspruch 1 genannten Art mit der Erfindung vorgeschla gen, dass die Matrize mit einer Oszillationsvorrichtung in oszillierende Relativbe wegungen zum Werkstück erregt wird und das Werkstück in einem Arbeitsgang in mehreren in Materialdurchlaufrichtung hintereinanderliegenden Reduktionskam mern der Matrize gleichzeitig einer Reihe von Umformungsschritten unterzogen wird.

Mit Hilfe der oszillierenden, als Mehrfach-Verformungswerkzeug ausgebildeten Matrize können in einem Arbeitsgang qualitativ hochwertige Produkte mit ver gleichsweise minimalem maschinenbaulichem Aufwand sowie mit einem Minimum an Arbeitszeit hergestellt werden, da erfindungsgemäß mit der Reihe gleichzeitig erfolgender Umformungsschritte eine vergleichsweise große Umformung durch geführt wird.

Dabei sieht eine Ausgestaltung des Verfahrens nach der Erfindung vor, dass die Matrize bei jedem Vorwärtshub durch die konische Verjüngung jeder Reduktions kammer Materialvolumina, teils als Material-Wulst radial nach außen und teils als Materialstreckung in Richtung des Vorwärtshubes verdrängt und dass die Mate rialwülste beim Rückwärtshub der Matrizenoszillation eingeebnet und geglättet werden.

Und schließlich sieht das Verfahren nach der Erfindung vor, dass die Oszillation der Matrize bei einer Frequenz zwischen 5 und 50 Hz eine Amplitude zwischen 50 und 0,7 mm erzeugt.

Für eine Vorrichtung zum Warm- und Kaltumformen, insbesondere zum Fließ pressen eines metallischen Werkstücks, speziell zum Durchführen des Verfahrens nach der Erfindung, umfassend eine Umformungsmatrize, eine Werkstück- Vorschubeinrichtung sowie eine Oszillationsvorrichtung für die Matrize, wird erfin dungsgemäß vorgeschlagen, dass der Körper der Matrize in Material- Durchlaufrichtung eine Anzahl von Umformungskammem aufweist, die mit stufen weise abnehmenden Materialdurchlassweiten in Reihe hintereinander angeordnet sind.

Weitere Ausgestaltungen der Vorrichtung nach der Erfindung sind entsprechend den Unteransprüchen vorgesehen.

Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachste henden Erläuterung eines in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausfüh rungsbeispieles. Es zeigen:

Fig. 1 im Schnitt einer mit der Mittelachse x-x zusammenfaltenden Ebene eine bspw. fünf Umformungskammem aufweisende Matrize;

Fig. 2 im Schnitt einer mit der Mittelachse x-x zusammenfallenden Ebene eine Vorrichtung zum Warm- und Kaltumformen, insbesondere zum Fließpressen eines metallischen Werkstückes, umfassend eine Um formungsmatrize, eine Werkstück-Vorschubeinrichtung sowie eine Oszillationsvorrichtung für die Matrize;

Fig. 3 ebenfalls im Schnitt einer mit der Mittelachse x-x zusammenfallenden Schnittebene, die Umformungsmatrize beim Durchlauf eines rohr förmigen Werkstücks auf einem zylinderförmigen Dorn.

Fig. 1 zeigt eine oszillierende Matrize 13 mit dem Einlaufdurchmesser N₁ und dem Auslaufdurchmesser N_x. Die Matrize 13 besteht ein- oder mehrstückig aus einer Anzahl von Umformungskammem 1a bis 5f. Diese dienen zum Warm- und Kaltumformen, insbesondere zum Fließpressen eines metallischen Werkstücks 12 gemäß Darstellung in Fig. 2. Die Matrize ist mit den Umformungskammem 1a bis 5f erfindungsgemäß derart ausgebildet, dass sie über eine bestimmte Frequenz, bspw. zwischen 2 und 10 Hz, in Material-Durchlaufrichtung 16 kontinuierlich in oszillierende Relativbewegungen zum Werkstück 12 bewegt wird und das Werk stück einer gleichzeitigen Reihe von Umformungsschritten unterzogen wird. Dabei wird das Werkstück 12 mit Hilfe der nicht näher dargestellten Vorschubeinrichtung 15 gemäß Fig. 2 vorgeschoben und infolge der oszillierenden Bewegung der Ma trize 13 reduzierend gestreckt.

Die Matrizen 13 besteht aus mehreren in Produktlaufrichtung 16 mit abnehmen den Mittenabständen hintereinander angeordneten Materialumformungskammem 1a bis 5f, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist.

Durch die oszillierende Matrizen-Vorwärtsbewegung schlägt die Schräge 1.1 der Kammer 1a den Anfang des einlaufenden Werkstücks 12 konisch. Bei der Rück wärtsbewegung glättet die hintere Schräge 1.2 den entstandenen Materialwulst 14. Damit ist der erste Umformungsschritt durchgeführt.

Anschließend gelangt der reduzierte Anfang des Werkstücks 12 in die Umfor mungskammer 2b. Diese ist mit konischen Flächen, den Schrägen 2.1 und 2.2 ausgebildet. Das von diesen Flächen umgrenzte Kammervolumen ist etwas grö ßer als das vorgebildete Produktvolumen. Der zweite Umformungsschritt ent spricht im wesentlichen dem ersten Umformungsschritt. Die Schräge 2.1 schlägt den Anfang des Werkstücks 12 konisch. Bei der Rückwärtsbewegung glättet die hintere Schräge 2.2 den entstandenen Materialwulst. Nach Beendigung des zweiten Verformungsvorganges schließt sich beim nächsten Arbeitshub eine Ver formung des Werkstücks 12 in der Reduktionskammer 3c an usw.

Auf diese Weise wird das Werkstück 12 unter Entstehung einer Summe von Vo lumendifferenzen in bzw. durch die Matrize 13 geschoben und verlässt als redu ziertes Fertigprodukt die Verformungsstufe der Kammern 1a bis 5f. Die Speicher volumina von Kammer 1a zu Kammer 2b, von dort zur Kammer 3c usw. weisen konstante Volumendifferenzen auf.

In dem in Fig. 2 gezeigten Versuchsaufbau wird eine Durchmesserverringerung eines Probestabes 12 aus Metall durchgeführt. Die Vorrichtung besitzt eine Rie menscheibe 1 zum Antrieb der damit rotativ verbundenen Wellenscheibe 2. Diese rotiert relativ zur Gegenscheibe 4 und wird bei jeder Umdrehung mit Hilfe von ra dialen Ausbuchtungen der Scheiben gegen die Kraft der vorgespannten Druckfe der 5 in Richtung der Rotationsachse x-x bewegt und springt bei der weiteren Re lativdrehung mit der Kraft der Druckfeder 5 federnd zurück. Dadurch wird eine os zillierende Bewegung der im Matrizenhalter 3 undrehbar, jedoch in axialer Rich tung oszillierbar gehaltenen Matrize 13 erzeugt.

Dabei stützt das Axiallager 6 die rotierende Einheit gegen den Gehäusedeckel 7 ab. Das in den Einlauf 8 eingeführte Werkstück 12, im gezeigten Beispiel ein me tallischer Rundstab, wird in der beschriebenen Weise im Durchlauf durch die Re duktionskammern 1a bis 5f im Durchmesser reduziert und tritt durch die Bohrung der nachgeordneten Spannmutter 9 aus der Matrize 13 aus. Der Deckel 10 hält die Feder 5 in der erforderlichen Vorspannung gegen den Matrizenhalter 3 in Po sition.

Anstelle der hier gezeigten rein mechanischen Oszillationsvorrichtung mit Wellen scheiben 2,4 kann jede andere Oszillationsvorrichtung mit hydraulischem, elektri schem, magnetischem oder einem anderen Antrieb zur Anwendung gelangen.

Fig. 3 zeigt die Reduktion eines rohrförmigen Werkstückes 12 in der erfindungs gemäßen Vorrichtung. Das Werkstück 12 befindet sich auf einem Dom 17, bspw. aus Stahl und wird beim Durchlauf durch die Matrize 13 vom ursprünglichen Au ßendurchmesser von 60 mm auf einen Außendurchmesser von 50 mm stufenwei se reduziert. Die Reduktion beträgt von Stufe zu Stufe jeweils 2 mm im Durch messer. Dabei entsteht in jeder Reduktionsstufe ein äußerer Materialwulst 14, 14', 14" usw. und zwar beim Vorwärtshub der Matrize 13. Dieser Materialwulst 14, 14', 14" wird anschließend beim Rückwärtshub der Matrize eingeebnet und geglättet.

Bezugszeichenliste

1abis 5f Umformungs-/Reduktionskammer

1

Riemenscheibe

2

Wellenscheibe

3

Matrizenhalter

4

Gegenscheibe

5

Druckfeder

6

Axiallager

7

Gehäusedeckel

8

Einlauf

9

Spannmutter

10

Deckel

11

Vorrichtungsgehäuse

12

Werkstück/Probestab

13

Matrize

14

Materialwulst

15

Vorschubeinrichtung

16

Material-Durchlaufrichtung

17

Material-Dorn

Claims

1. Verfahren zum Warm- und Kaltumformen, insbesondere zum Fließpressen, eines metallischen Werkstücks (12) unter Verwendung einer Matrize (13) und einer Vorschubeinrichtung für das Werkstück (12), dadurch gekennzeichnet, daß die Matrize (13) mit einer Oszillationsvorrichtung (2, 4) in oszillierende Relativbewegungen zum Werkstück (12) erregbar ist, daß das Werkstück (12) in einem Arbeitsgang in mehreren in Materialdurchlaufrichtung (16) hin tereinanderliegenden Reduktionskammern (1a-5f) der Matrize (13) gleich zeitig einer Reihe von Umformungsschritten (1.1-5.1) unterzogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit einer Reihe gleichzeitig erfolgender Umformungsschritte (1.1-5.1) eine vergleichsweise große Umformung durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Umformungsschritt (1.1-5.1) einen Teilschritt mit einem Vor wärtshub, und einen unmittelbar folgenden Teilschritt mit einem Rückwärts hub umfaßt.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrize (13) bei jedem Vorwärtshub durch die konische Verjüngung jeder Reduktionskammer (1a-5f) Materialvolumina, teils als Materialwulst (14) radial nach außen, und teils als Materialstreckung in Richtung des Vor wärtshubes verdrängt, und daß die Materialwülste (14) beim Rückwärtshub der Matrizenoszillation eingeebnet und geglättet werden.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Oszillation der Matrize (13) bei einer Frequenz zwischen 2 und 50 Hz eine Amplitude zwischen 50 und 0,7 mm erzeugt.

6. Vorrichtung zum Warm- und Kaltumformen, insbesondere zum Fließpressen eines metallischen Werkstücks (12), speziell zur Durchführung des Verfah rens nach der Erfindung, umfassend eine Umformungsmatrize (13), eine Werkstück-Vorschubeinrichtung (15) sowie eine Oszillationsvorrichtung (2, 4) für die Matrize (13), dadurch gekennzeichnet, daß der Körper der Matrize (13) in Material-Durchlaufrichtung (16) eine An zahl von Umformungskammem (1a-5f) aufweist, die mit stufenweise ab nehmenden Materialdurchlaßweiten (1.1 bis n.1) in Reihe hintereinander an geordnet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jede Materialumformungskammer (1a-5f) - in Material- Durchlaufrichtung (16) gesehen - anschließend an eine Einlaßöffnung mit der Nennweite (N₁) einen ersten Kammerteil (1.2) mit zunehmender koni scher Erweiterung, unmittelbar übergehend an einen zweiten Kammerteil (1.1) mit konischer Verjüngung bis zu einer anschließenden Einlauföffnung der nächstfolgenden Umformungskammer (2b) aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kammerteil (1.2) der Matrize (13) in Materialdurchlaufrichtung (16) etwa ein Drittel der Länge des zweiten Kammerteils (1.1) aufweist.

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrize (13) bevorzugt einstückig aus jeweils mehreren zu einer Funktionseinheit miteinander verbundenen Umformungskammern (1a-5f) besteht.

10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der verjüngte Konuswinkel der jeweiligen zweiten Kammerteile (1.1 bis n.1) von der Eingangs-Umformungskammer (1a) bis zur Ausgangs- Umformungskammer (5f) insbesondere kontinuierlich ansteigt.